Полупроводники

В этой статье речь пойдёт о полупроводниках. Вся современная электроника основана на полупроводниковых элементах. Многие электронные компоненты, начиная от диодов и транзисторов и заканчивая сложнейшими микропроцессорами, в основе имеют кристалл полупроводника. Поэтому, чтобы чувствовать себя уверенно в основах электроники, необходимо хорошо понимать процессы, происходящие в полупроводниках.

В этой статье:

• Что такое полупроводник
• Строение вещества и проводимость
• Кристаллическая структура полупроводников
• Легирующие примеси. Области с n и p проводимостью
• pn-переход и рекомбинация

Что такое полупроводник?

Если мы возьмём любой материал и измерим его удельное сопротивление, большинство материалов мы сможем отнести к одной из двух категорий. Первая категория - это проводники с очень низким сопротивлением. Таковы, например, большинство металлов, удельное сопротивление которых составляет тысячные доли Ом/см и меньше. Вторая категория — диэлектрики, или изоляторы, с очень большим сопротивлением. Например, бумага или фарфор, сопротивление которых начинается от сотен МОм.

Но есть группа веществ, находящихся где-то посередине: и проводник из них слабый, и изолятор никакой. Их называют полупроводниками. Для понимания порядков величин: сопротивление кристаллического германия составляет примерно 50 Ом/см, кремния — около 1 МОм/см.

Пара слов о строении вещества

Здесь нам необходимо совершить небольшой экскурс в физику микромира. Наверное, вы знаете, что каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. При этом, электроны вращаются не абы как, а строго подчиняясь определённым правилам. Они образуют вокруг ядра электронные слои, а в рамках одного слоя у каждого электрона четко определённая орбита.

Нас будет интересовать только самый внешний электронный слой. Именно на нём находятся так называемые валентные электроны, способные принимать участие в образовании химических связей между атомами. Именно внешние электроны способны отрываться от атома и перемещаться по веществу, создавая электрический ток.

Короче, электроны внешнего слоя в атоме наиболее активны и деятельны. Почему так? Внутренние электронные слои ближе к положительному ядру, и гораздо сильнее им притягиваются. В принципе, приложив определённые старания, можно выдрать и такой электрон. Например, направив на вещество поток рентгеновского излучения. Его энергии хватит, чтобы выбить электрон с внутренних слоёв. Впрочем, это замечание для полноты картины, а мы, как уже говорилось, сосредоточимся на внешнем электронном слое.

На этом этапе мы можем понять различие между проводниками, полупроводниками и изоляторами. В металле внешние электроны удерживаются ядром настолько слабо, что легко убегают и пускаются в свободное путешествие. Металл можно представить как кристаллическую решётку, в узлах которой находятся положительные ионы, а в пространстве между ионами находится электронное облако. Таким образом, электроны в металле очень подвижны, и при возникновении внешнего потенциала легко начинают перемещаться, создавая электрический ток.

Почему в узлах решётки находятся ионы? Изначально в атоме заряд ядра равен суммарному заряду его электронов. Но после потери одного или нескольких электронов равновесие нарушается, оставшиеся электроны уже не компенсируют заряд ядра и атом становится положительным ионом. Заряд которого строго равен суммарному заряду потерянных электронов но с обратным знаком (выполняется закон сохранения заряда).

В диэлектрике, наоборот, внешние электроны удерживаются достаточно сильно, все они участвуют в образовании ковалентных связей. Свободные электроны там отсутствуют. Поэтому и проводить ток нечему.

Ну и полупроводники находятся посередине. Электрон оторвать трудно, но возможно. Для примера: при комнатной температуре в кристалле германия появляется примерно один свободный электрон на миллиард атомов. Это кажется очень мало (сравните с металлом, где каждый атом свой электрон отдал), тем не менее, создаёт некоторую проводимость.

Упоминание температуры не случайно. Количество свободных зарядов в полупроводнике сильно зависит от температуры. При абсолютном нуле полупроводник является абсолютным изолятором. Но, по мере роста температуры некоторые электроны, за счёт тепловой энергии, могут стать свободными.

Обратите внимание: с ростом температуры сопротивление металлов растёт, тепловые колебания атомов мешают свободному движению электронов. В полупроводнике они тоже мешают, но там гораздо более важен другой процесс. Увеличение количества свободных зарядов с лихвой перекрывает эффект от тепловых колебаний, так что с ростом температуры сопротивление полупроводника, наоборот, уменьшается.

Кристаллическая структура полупроводников

Возьмём кристалл кремния. В химии этот элемент обозначается Si (от silicium). Кристалл имеет алмазоподобную структуру, где каждый атом образует 4 связи с 4-мя соседями. Почему так? Обратимся к таблице Менделеева. От электронной конфигурации атома зависит, где именно в таблице будет расположен тот или иной элемент. Упомянутые полупроводники, германий и кремний, расположены в ​IV-й группе, значит, у них 4 валентных электрона. Из курса химии мы знаем, что каждый атом стремится дополнить свой внешний электронный слой до 8 электронов. Для этого он объединяется с соседями, образуя химические связи. Как же это происходит? Например, два соседних атома предоставляют друг другу по одному электрону, и эта электронная пара становится общей для обоих атомов, каждый из атомов считает, что у него теперь стало два электрона вместо одного. Энергетически это выгодно обоим атомам, и чем выгоднее, тем крепче связь и тем сложнее её разорвать.

Так, атом кремния задействует все свои 4 внешних электрона для образования связей, и получает вокруг себя 4 электронных пары — заветную восьмёрку.

Легирующие примеси

Давайте в кристалл кремния добавим немного атомов мышьяка. Мышьяк будет вынужден занять своё место в структуре кристалла, и, как и соседние атомы кремния, образовать 4 связи. Но у мышьяка 5 электронов на внешнем слое! Один электрон становится лишним, он уже не нужен мышьяку который и так уже собрал вокруг себя 4 пары. Правда, после потери «лишнего» электрона атом мышьяка станет положительным ионом, но его это мало волнует.  А в результате мы видим, что количество свободных носителей заряда заметно выросло. В данном случае носителями выступают электроны, поэтому говорят: полупроводник n-типа (от слова negative, отрицательный).

Теперь посмотрим, что будет, если в кристалл полупроводника ввести добавку индия. Сверившись с таблицей Менделеева, обнаруживаем индий в третьей группе, значит, у него всего 3 внешних электрона. Также как и мышьяк, индий подчинится кристаллической структуре, встроится в неё. Но одного электрона будет не хватать. Чтобы заполнить свободное место, атом индия украдёт электрон у соседнего атома. При этом атом индия превратится в отрицательный ион, а его сосед кремний, потерявший электрон — в положительный ион. В свою очередь, не желая мириться с несправедливостью, он стащит электрон у следующего соседа, тот у следующего и так далее…

Хотя переходы совершают электроны, внешнему наблюдателю кажется, что по кристаллу движется положительный ион. Понятно, что сами атомы не двигаются, а переходит положительный заряд. Поэтому, говорят, что в данном случае носителями заряда являются положительные «дырки», а полупроводник у нас p-типа (positive — положительный).

Остаётся добавить, что дырки менее подвижны, чем электроны. Оторвавшийся электрон в n-полупроводнике более-менее свободно летает внутри кристаллической структуры, а дырка может переходить только вдоль связей между соседними атомами.

Возможно, описанные механизмы кажутся достаточно сложными. Но для  понимания процессов в полупроводниках не обязательно детально задумываться о том, куда какой электрон перескочил и от какого атома он оторвался… Достаточно понимать, что в полупроводнике n-типа есть свободные отрицательные заряды, а в полупроводнике p­типа — положительные. И те и те можно мысленно представить в виде заряженных шариков, способных перемещаться по кристаллу.

pn-переход и рекомбинация

Основные события в полупроводниковых компонентах происходят в области pn-перехода. Как ясно из названия, pn-переход - это граница двух полупроводников с различной проводимостью. Важный вопрос: почему свободные электроны из n-области не устремляются через pn-переход в p-область, чтобы заполнить дырки? Те отрицательные, эти положительные, казалось бы, должны притягиваться друг к другу… Но, не будем забывать, что и область p и область n в целом нейтральны. Хотя в каждой из них есть и свои ионы в узлах решётки, и свободные заряды противоположного знака, суммарный заряд остаётся нулевой.

Как только электрон из n-области перескочил в p-область и занял свободное место (кстати, этот процесс называется рекомбинацией: когда электрон заполняет дырку, формально при этом и свободный электрон и свободная дырка исчезают), заряд n-области стал положительным. Чем больше электронов убежало, тем больше становится заряд n-области, и он мешает следующим электронам убегать, всё сильнее тянет их назад. Точно также p-область за счет полученных электронов накапливает отрицательный заряд и начинает отталкивать новые электроны от себя (или, что то же самое, притягивать свои дырки к себе, не пускать их навстречу электронам).

Другое дело, если к pn-переходу приложено внешнее напряжение, способное поставлять в полупроводник новые электроны и дырки взамен рекомбинировавшим, и тем самым снимать накопленный заряд... Но об этом — в статье о диодах.